Схема кварцевого генератора с перестраиваемой частотой колебаний.
Расширение диапазона плавной перестройки частоты генератора с нескольки- ми частотозадающими кварцевыми резонаторами в цепи обратной связи.
Сверхзадача «утянуть» частоту колебаний кварцевого генератора подальше от основной частоты механического резонанса занимает пытливые умы радиолюбителей давно и пронзительно. Причём, ни появление на свет синтезаторов частот с ФАПЧ, ни проклёвывание широкополосных цифровых DDS синтезаторов — никакого влияния на этот маниакальную мечту ровным счётом не оказали.
Может это извращение — сродни сексуальному, и связано с проявлением психической болезни?
Едва ли. Скорее это стремление к простоте, которая, как известно, не только хуже воровства, но и — есть необходимое условие прекрасного.
Наиболее далеко в этом вопросе продвинулись японские инженеры, которые отличились в далёком 1980 году применением в генераторе вместо одного — двух идентичных, включённых параллельно кварцевых резонаторов. Схема была предложена JA0AS (Mr. Shimizu) и JH1FCZ (Mr. Okubo) и скромно названа авторами «Super VXO» (Кварцевый супергенератор).
 Рис.1 |
Частота — очень стабильная. Использовался транзистор 2SC1815 с верхней граничной частотой 80 МГц.
2. Два кварца на частоту 13 МГц, катушка индуктивности VXO-50 (7. 11 мкГн), переменный конденсатор на 30 пф. Полученный диапазон перестройки 12.91. 13.00 MГц. Транзистор тот же. Катушка VXO-50 — фирменная, разработана специально для VXO на 6 метров и имеет небольшой температурный коэффициент.
Так же этот генератор был применен мною в QRP передатчике на 6 м. При частоте кварцев 11.2735 МГц и после утроения он перекрывал диапазон 50.00 — 50.27 МГц (270 КГц !).
Частотный диапазон перестройки указанного генератора может быть шире, но стабильность его становится хуже с увеличением индуктивности. JH1FCZ рекомендует в своей книге придерживаться изменения частоты в пределах 0.5% от номинальной частоты, т.е. для 10 МГц — это 50 КГц.
Мною были испробованы катушки индуктивности различной конструкции, и как показала практика — лучше работают катушки больших размеров. При перестройке частоты возможны внезапные провалы частоты, это можно устранить включением параллельно индуктивности резистора сопротивлением 10-30 ком.
Стабильность частоты во многом зависит от температурного коэффициента использованного материала сердечника катушки индуктивности. Поэтому лучше использовать катушки без сердечника».
Ещё дальше пошёл отечественный умелец, автор книги «Азбука УКВ. Как построить трансивер» Г.А. Тяпичев, который провёл ряд экспериментов с вышеописанной схемой, в которых использовалось параллельное подключение уже нескольких кварцев.
 Рис.2 |
одинаковых кварцев на ширину диапазона плавной перестройки кварцевого генератора.
Мною было проведено много экспериментов с различными кварцами. Не все кварцы «с распростертыми объятиями» принимали подключаемого к нему соседа, но большинство из них прилично работали с одним или двумя параллельными кварцами.
Лучше других допускали параллельное подключение высокочастотные кварцы (13,5. 22,5 МГц), конструктивно выполненные в малогабаритных металлических корпусах. Кварцы от радиостанции РСИУ (в цилиндрических карболитовых корпусах) работали не более чем с двумя параллельно подключенными такими же кварцами.
Высокочастотные кварцы в малогабаритных металлических корпусах хорошо работали даже с тремя параллельно подключенными кварцами, но при этом тон биений становился дребезжащим и ухудшалась стабильность генерируемой частоты. 
На Рис.3 приведены графические зависимости частоты генерируемых колебаний от количества подключенных параллельно одинаковых кварцевых резонаторов на частоту 22,5 МГц. Кривая 1 получена при единственном кварце, кривая 2 — при двух параллельно подключенных кварцах, кривая 3 — при трех кварцах и кривая 4 — при четырех кварцах.
Ширина диапазона генерируемых частот при четырех подключенных кварцах впечатляет, но сигнал становится дребезжащим и стабильность резко ухудшается. Однако в некоторых случаях подобными явлениями можно пренебречь, уделив побольше внимания жесткости конструкции генератора, жесткому креплению самого кварца и катушки L1.
Рекомендации по настройке генератора.
Если в наличии имеются несколько одинаковых кварцев, то для генератора с плавным изменением частоты следует выбирать наиболее активные кварцы, т.е. те кварцы, которые способны создать наибольшую амплитуду генерируемой частоты.
При всех проверках работоспособности кварцев катушка L1 и конденсатор С1 должны быть исключены из схемы, а нижний по схеме вывод кварца должен быть подключен к земле.
Конденсаторы С2 и СЗ определяют величину положительной обратной связи, которая влияет на процесс генерации. Для начала следует выбрать значения ёмкостей данных конденсаторов около 100пФ.
Затем емкости этих конденсаторов можно увеличить. Часто бывает так, что амплитуда генерируемых колебаний бывает больше, если емкость конденсатора С2 много меньше емкости конденсатора СЗ.
Соотношение величин этих емкостей также следует подбирать, контролируя показания аплитуды колебаний. После того, как вы достигли максимальных величин, следует нижний по схеме вывод кварца Z1 подключить на землю через конденсатор постоянной емкости величиной 75 или 100 пФ (катушку L1 не подключать).
Далее следует проверить работоспособность генератора с подключенным последовательно с кварцем конденсатором.
Затем можно провести эксперименты с заменой этих конденсаторов на другие, с меньшими емкостями или подключить конденсатор переменной емкости 5 . 100 пФ.
Если генератор перестает работать при малых величинах емкостей, то параллельно конденсатору переменной емкости нужно подключить подстроечный конденсатор и установить его на минимальную емкость, при которой уже начинается работа генератора, т.е. минимальная емкость переменного конденсатора и емкость подстроечного конденсатора в сумме должны обеспечить начало работы генератора.
Далее между нижним выводом кварца Z1 и конденсатора С1 следует включить катушку L1. Катушка должна иметь индуктивность порядка 16 мкГн и иметь подстроечный сердечник.
При первом подключении катушки (подстроечный сердечник должен быть удален из катушки) возможны следующие случаи:
1. Генератор не хочет работать с подключенной катушкой. Это может быть в том случае, если индуктивность катушки велика. В этом случае следует отмотать от катушки часть витков и продолжить эксперимент.
2. Если генератор нормально работает с подключенной катушкой L1, то нужно ввести в катушку подстроечный сердечник. Делать это следует осторожно, постепенно вводить сердечник и одновременно наблюдать за уровнем выходного сигнала. Если при каком-то положении сердечника генератор перестает работать, то следует вывести сердечник назад и убедиться в возобновлении работы генератора. Такая катушка может быть использована в схеме нового генератора и позволит выполнить максимально возможный для этого кварца диапазон перестройки частоты.
3. Если при работающем генераторе сердечник полностью введен в катушку, а генерация не прерывается, то следует на эту катушку домотать какое-то количество витков, а затем снова убедиться в том, что генератор прекращает работать при определенном положении подстроечного сердечника и снова начинает работать при выводе сердечника из катушки.
Таким образом можно добиться нормальной работы генератора. Совет один — не стоит устанавливать максимальную величину диапазона перестройки частоты вашего генератора, если хотите получить высокую стабильность частоты».
Вот это я понимаю — экстрим для любителей бурного рукоделия! Ай да Тяпичев! Ай да сукин сын!
С другой стороны — ну, а что мы, собственно, хотели. Простота требует жертв, а если круто заложиться, то и жертвоприношений.
Хотя, между нами юношами говоря, если вместо кварца использовать его менее добротный аналог — керамический резонатор, то. почему бы и нет? Очень даже может быть.
Короче, подискутируем на эту тему на следующей странице.
Источник
Кварцевые генераторы на биполярных и полевых транзисторах, а также
цифровых КМОП и ТТЛ микросхемах. Осцилляторные схемы генераторов
стабильной частоты, онлайн калькулятор расчёта элементов.
Параметр стабильности LC-генератора при условии качественного исполнения данного узла, наличия высокодобротных катушек и конденсаторов с подобранными ТКЕ может достигать достаточно высоких значений. Это даёт возможность радиолюбителю, не направляя свой взгляд в сторону цифровых аксессуаров, вести комфортный приём/передачу однополосных сигналов в частотном диапазоне работы ГПД до 10-15Мгц.
Можно, конечно, попытаться залезть и повыше, но ненамного — начинают возникать нюансы. С одной стороны, чем дальше влез, тем больше интерес, с другой — становится всё труднее удержать частоту генератора в сфере своего влияния. А при частотах колебаний свыше 30МГц, долговременная относительная нестабильность генератора становится таковой, что «голос любителя, радостно вещающего однополосным SSB сигналом о преимуществах «Яги» перед «Двойным квадратом», начинает плавно глиссандировать от убедительного баритона Левитана до легкомысленного тенора оперной дивы».
И вот тут уже — жить без кварцевого резонатора становится сложновато. Причём окварцованный генератор может использоваться как готовый гетеродин на фиксированную частоту, так и в качестве опорника для цифрового синтезатора частоты.
Кварцевый резонатор (кварц) — радиоэлемент, в котором явление механического резонанса используются для построения высокодобротного резонансного элемента электронной схемы.
Добротность кварцевых резонаторов во много раз превышает добротность резонаторов на LC-контурах и составляет 10 4 . 10 6 . Долговременная относительная нестабильность частоты — не хуже чем 10 -6 . 10 -8
Для того, чтобы понять принцип работы кварцевого резонатора в схемах генераторов, надо рассмотреть его эквивалентную схему:
 Рис.1 |
Частота последовательного резонанса выражается формулой: 
,
а частота параллельного: 
.
Произведя несложные математические манипуляции, получаем:
Поскольку на практике Сo≫Ck, то расхождение между частотами параллельного и последовательного резонансов невелико — максимальная разность близка к 0,4% от паспортной частоты кварца. Также не составит особого труда заметить, что Fпар всегда > Fпосл.
Для интересующихся приведу некоторые типичные значения параметров эквивалентной схемы кварцевых резонаторов.
| F (Мгц) | Lk (мГн) | Ck (пФ) | Rk (Ом) | Cо (пФ) |
| 1 | 1910 | 13,3×10 -3 | 200 | 5 |
| 10 | 28,6 | 8,86×10 -3 | 12 | 4 |
| 12 | 24 | 7,368×10 -3 | 12 | 4 |
| 20 | 11,94 | 5,3×10 -3 | 10 | 3,5 |
Переходим к некоторым расхожим схемам генераторов с кварцевой стабилизацией частоты.
 Рис.2  Рис.3 |
Один только кварцевый резонатор не сможет обеспечить такой поворот фазы. Поэтому в схему дополнительно вводятся конденсаторы C1 и C2.
При возбуждении кварцевого резонатора на нечётных механических гармониках кварца, вместо резистора R3 включают катушку индуктивности L1 (Рис.3).
Параметры контура следует выбирать так, чтобы его собственная частота составляла 0,7. 0,8 от частоты генерации. В результате контур имеет ёмкостную проводимость на частоте необходимой гармоники, что исключает возможность генерации на низших гармониках и основной частоте.
Значительно большим фазовым запасом для возникновения условий генерации обладают схемы ёмкостных трёхточек Пирса, выполненные на полевых транзисторах, либо КМОП микросхемах, в том числе и цифровых. Объясняется это высоким входным сопротивлением подобных устройств, что, в свою очередь, создаёт более правильные условия для работы цепей фазовращателя.
 Рис.4 Рис.5 Рис.6 |
построенная на высокочастотном ОУ, либо инверторе КМОП-логики, использующимся в качестве инвертирующего усилителя.
По сравнению со схемами на биполярных транзисторах, приведённые осцилляторы не так критичны в точности выбора номиналов фазосдвигающих конденсаторов С1 и С2. При применении цифровых КМОП инверторов, даже при выборе типичных значении ёмкостей C1 = C2 = 15 пФ, сохраняются условия для устойчивой генерации в достаточно широком диапазоне частот.
Генераторы Пирса вполне заслуженно считаются генераторами с наилучшей кратковременной стабильностью частоты, однако обладают определённым набором недостатков — как то: относительная сложность, необходимость качественной стабилизации базового тока транзистора, а также то, что ни один из выводов кварцевого резонатора не подключён к шине корпуса.
Отчасти указанных недостатков лишён генератор Колпитца — схемотехническое решение ещё одного трехточечного кварцевого генератора, в котором транзистор активного элемента по переменному току включён по схеме с общим коллектором. При этом кварцевый резонатор, имеющий индуктивный характер реактивного сопротивления, входит в состав параллельного резонансного контура, один из выводов которого может быть подключён к земляной шине.
 Рис.7 Рис.8 |
 Рис.9 Рис.10 |
колебаний именно на той частоте гармоникового кварца, который указан на его корпусе.
Ровно та же самая история, но с полевым транзистором вместо биполярного приведена на Рис.10.
На высоких частотах, вплоть до 300МГц, целесообразно применять однокаскадные схемы генераторов с общей базой (Рис.11).
Рис.11Рис.12 Рис.13 Рис.14
Схемы, приведённые на Рис.11 и Рис.12 функционально абсолютно идентичны, хотя первая из них представляет индуктивную трёхточку с кварцевым резонатором, выполненную по схеме Хартли, а вторая ёмкостную — по схеме Колпитца.
Для возникновения колебаний необходимо, чтобы колебательный контур был настроен на частоту кварцевого резонатора, либо на частоту, равную кратной основной частоте гармоники.
Дальнейшего улучшения условия самовозбуждения этих автогенераторов на высоких частотах можно добиться, включив параллельно кварцу дополнительную катушку индуктивности L2 (Рис.13 и Рис.14). Контур, образованный параллельной ёмкостью кварца Со и катушкой L2, настраивают на частоту используемой гармоники.
Точно также как и в предыдущих случаях, биполярный транзистор лёгким движением руки может быть заменён на полевой с соответствующими цепями смещения.
ВАЖНО!
1. К источнику питания любые ВЧ генераторы, в том числе и окварцованные, следует подключать через интегрирующую RC цепочку, представляющую из себя резистор номиналом несколько сотен Ом (в зависимости от рабочего тока транзистора) и конденсатор, идущий одним выводом на землю, ёмкостью 0,1МкФ.
2. Каскады, подключаемые к выходу генератора, должны иметь достаточно высокое входное сопротивление. Идеально — если это будут цепи, реализованные на полевых транзисторах.
3. Разделительные конденсаторы, нарисованные на схемах последовательно с кварцевыми резонаторами, призваны отсечь от кварца постоянное напряжение. Кто-то их ставит, кто-то нет — по-любому, внятных теоретических обоснований по поводу вреда здоровью резонаторов от постоянки я не встречал. Так, что считайте присутствие этих элементов факультативным, хуже точно не будет, лучше — вполне вероятно.
4. Базовая схема кварцевого генератора на цифровой микросхеме (Рис.6) отлично работает в широком диапазоне частот и не требует никаких модификаций. Многочисленные 2-3 вентильные вариации на заданную тему большого смысла не имеют, так как обладают худшими частотными свойствами. Разве, что можно обратить внимание на схему, приведённую на Рис.15, которая за счёт более высокого общего коэффициента усиления создаёт дополнительные условия для устойчивой генерации и меньшей зависимости от номиналов ёмкостей.
Рис.15
Ну и по традиции — калькулятор в студию!
ТАБЛИЦА РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
Приведённый калькулятор не претендует на 100% достоверность, так не в состоянии учитывать реальные характеристики применяемых резонаторов, однако, в большинстве случаев поможет радиолюбителю не допустить явных ошибок и запустить устройство без шаманства и танцев с бубнами.
А на следующей странице рассмотрим схемы кварцевых генераторов, обладающих способностью плавной перестройки в некотором не очень широком диапазоне частот.
Источник